KR101625837B1 - 프리-챔버 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 사전혼합형 연소 (오토 사이클) 를 위해 설치되는 내연기관의 실린더 (1) 를 위한 프리-챔버 장치에 관한 것으로, 상기 프리-챔버 장치는 연료의 혼합 및 점화를 위한 제 1 챔버 (7) 및 이 제 1 챔버 (7) 와 실린더 (1) 의 주 연소 챔버 (4) 사이의 소통을 위한 실질적으로 더 작은 용적의 제 2 챔버 (8) 를 포함하고, 제 1 챔버 (7) 에는 파일럿 분사 수단 (9) 이 제공되고 또한 제 2 챔버 (8) 의 실질적으로 반대쪽에 있는 챔버 상부가 구비된다. 상기 제 1 챔버 (7) 는 챔버 상부와 제 2 챔버 (8) 사이에 만곡된 벽을 가지는 실질적으로 타원형의 형상이다. 제 2 챔버 (8) 는, 주 연소 챔버 (4) 로부터 가압되고 제 1 챔버 (7) 의 만곡된 벽에 의해 점화될 파일럿 분사 수단 (9) 의 연료 쪽으로 그리고 이 연료를 지나서 안내되는 가스 연료를 위해 제 1 챔버 (7) 안에 텀블 유동 운동 (A) 을 제공하도록 제 1 챔버 (7) 에 대해 비대칭적으로 위치된다.

Description

프리-챔버 장치{PRE-CHAMBER ARRANGEMENT}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 사전혼합형 연소 (오토 사이클 (Otto cycle) 를 위해 설치되는 내연기관의 실린더를 위한 프리-챔버 장치에 관한 것으로, 상기 프리-챔버 장치는 연료의 혼합 및 점화를 위한 제 1 챔버 및 이 제 1 챔버와 주 연소 챔버 사이의 소통을 위한 실질적으로 더 작은 용적의 제 2 챔버를 포함하고, 제 1 챔버에는 파일럿 분사 수단이 제공되고 제 2 챔버의 실질적으로 반대쪽에 있는 챔버 상부가 구비된다.
프리-챔버는 강력한 점화원이 필요한 이른바 린번 엔진에서 특히 이용된다. 이 경우, 프리-챔버는 주 연소 챔버의 희박한 가스 혼합물을 점화하기 위한 더 높은 에너지를 제공하기 위해 사용된다. 프리-챔버에서, 주 챔버로부터 오는 희박한 기본 공기/가스 혼합물은, 과잉 공기에서 반응하고 특정 압력 및 온도 조건 이상에서 스스로 점화되는 적절한 연료의 분사에 의해, 또는 프리-챔버에 적절한 양의 가스를 직접 첨가함으로써 획득될 수도 있는 국부적 화학량론적인 공기/가스 혼합물과 조합되는 글로 플러그 또는 스파크 플러그에 의해 점화될 수 있다. 프리-챔버의 형상은 실제 점화 방법에 의존한다. 글로 플러그가 있거나 없는 상태에서의 파일럿 연료 점화는 종래의 스파크 프리-챔버 점화 시스템보다 더 높은 점화 에너지를 제공할 수 있다. 요건은 일반적으로 프리-챔버에 도입된 기본 공기/가스 연료 혼합물의 그리고 분사될 파일럿 연료의 신속하고 반복가능한 혼합이다. 다수의 프리-챔버 장치가 알려져 있지만, 이것들은 상기 요건을 동시에 충족시킬 수 없다.
본 발명의 목적은, 파일럿 분사 원리를 이용하는 린번 엔진에 적합한 향상된 프리-챔버 장치를 제공하여, 린번 엔진의 효율성 및 배출가스에 관하여 설정된 더더욱 엄격한 요건을 충족시키는 것을 돕는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1, 및 본 발명의 상이한 실시형태에 대해 더 상세하게 기재하고 있는 다른 청구항에 개시된 바와 같이 실질적으로 충족될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제 1 챔버는 챔버 상부와 제 2 챔버 사이에 만곡된 벽을 가지는 실질적으로 타원의 형상이다. 제 2 챔버는, 주 연소 챔버로부터 가압되고 제 1 챔버의 만곡된 벽에 의해 점화될 파일럿 분사 수단의 연료 쪽으로 그리고 이 연료를 지나서 안내되는 가스 연료를 위해 제 1 챔버 안에 텀블 유동 운동을 제공하도록 제 1 챔버에 대해 실질적으로 비대칭적으로 위치된다.
본 발명에 의해, 분사된 파일럿 연료와 연료 가스의 효율적인 순환 및 신속한 혼합이 달성된다. 혼합물의 텀블 유동 운동의 준비 및 이용은 프리-챔버와 주 연소 챔버 양자에서 반복가능하고 강력한 연소를 발생시키며, 이로써 더 높은 엔진 효율성 및 증가된 연소 안정성을 가져온다. 또한, 그 결과 엔진의 출력에 대해서 유해한 배기가스가 더 적어진다.
상기 결과는, 제 1 챔버가 제 1 챔버의 중심 종축선에 대해 제 2 챔버 측 쪽으로 약간 변위되도록 비대칭적인 형상을 갖는 경우에 향상될 수 있다. 실제로, 제 1 챔버의 중심 횡축선 영역에서, 제 2 챔버 측에서의 제 1 챔버의 내벽은, 제 2 챔버의 반대측에 있는 제 1 챔버의 내벽보다 더 작은 곡률 반경을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 제 2 챔버 측에서의 제 1 챔버의 중심 횡축선 (14) 영역의 내벽은 적절하게 만곡되어야 하고 제 2 챔버의 벽에 우수한 접선 반경으로 연결되어야 한다.
추가로, 파일럿 분사 수단은 제 1 챔버의 일 단부에서 제 1 챔버의 중심 종축선에 대하여 비대칭적으로 위치된다. 이는 신속하고 반복가능한 혼합 및 연소를 위해 제 1 챔버의 가장 적절한 용적 영역 쪽으로의 연료 분사 배향을 달성하는데 유용하다.
장치에는 추가로, 파일럿 분사 수단의 반대쪽에 있는 제 1 챔버의 중심 중축선의 다른 측에 위치되는 바람직하게는 글로 플러그 형태의 별도의 점화 수단이 제공될 수도 있다. 이는 엔진이 냉간 상태일 때 확실한 프리-챔버 점화를 제공하는데 특히 유용하다. 환경에 의존하여, 별도의 점화 수단은 단지 지원용 점화 수단으로서 역할을 하는 것이 바람직할 수도 있다.
바람직하게는, 제 2 챔버에는 주 연소 챔버를 향하는 부분에 다수의 노즐 구멍이 제공된다. 실제로, 제 2 챔버는, 상기 노즐 구멍이 주 연소 챔버에 대하여 대칭적으로 배치되어 실린더의 주 연소 챔버에서도 효율적인 연소를 보장하도록 배치된다.
제 2 챔버는 주 챔버로부터 오는 공기/가스 혼합물을 제 1 챔버로 보내기 위해 의도적으로 충분히 길게 되어 있는 것이 바람직하다. 추가로, 2 채널의 교차부는 공기/가스 혼합물의 원치않고 제어되지 않는 자발적인 점화를 일으키는 열점 (hot spot) 영역의 위험을 감소시키기 위해 넓은 반경을 가져야 한다. 제 2 챔버의 치수는, 압축 행정 동안의 유입 공기/가스 혼합물의 충분한 유동 속도 및 주 연소 챔버 쪽으로의 제 1 챔버 화염 전방 전파 동안의 낮은 압력 강하 양자를 보장하도록 선택되어야 한다. 제 1 챔버에 대한 제 2 챔버 기울기 각은, 제 2 챔버가 주 연소 챔버 안에서 노즐 구멍의 대칭적인 구조를 실현하기 위해 주 연소 챔버의 중심 축선과 일치하여 끝나도록 선택되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 비 (제 1 챔버의 용적)/(단면에서 구한 노즐 구멍의 총 면적) 은 300 mm 와 800 mm 사이에서 선택된다.
제 1 챔버의 중심 종축선과 제 2 챔버의 중심 종축선 사이의 기울기 각은 10 °내지 50 °인 것이 바람직하다.
제 1 챔버의 실질적으로 타원형의 일반적인 형태와 관련하여, 제 1 챔버는 비 (중심 종축선)/(중심 횡축선) 가 0.6 내지 1.8 이 되도록 치수가 정해지는 것이 바람직하다. 이로써, 제 1 챔버 내에서 효율적인 텀블 유동 운동을 달성하기 위한 가장 바람직한 결과는, 실질적으로 타원형의 기본 형태가 이용될 때 보장될 수 있다. 이와 관련하여, 실질적으로 타원형의 형상은 일반적으로 달걀의 형상을 포함하도록 구성될 수 있다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1 은 단지 실시예로서 본 발명에 따른 프리-챔버 장치의 실시형태를 나타낸다.
도면에서, 도면부호 1 은 실린더 라이너 (2), 왕복 피스톤 (3) 및 주 연소 챔버 (4) 를 포함하는 린번 내연기관의 실린더를 나타낸다. 주 연소 챔버 (4) 는 또한 종래의 방식의 밸브와 입구 및 출구 덕트를 가지는 실린더 헤드 (5) 에 의해 한정된다. 실린더 헤드 (5) 에는 제 1 챔버 (7) 및 제 2 챔버 (8) 를 포함하는 프리-챔버 장치 (6) 가 부가적으로 제공된다. 제 1 챔버 (7) 에는 파일럿 분사를 제공하기 위한 분사 수단 (9) 및 선택적으로 글로 플러그 (glow plug) (10) 가 제공된다. 주 연소 챔버 (4) 를 향하는 제 2 챔버 (8) 부분에는 주 연소 챔버 (4) 에 대하여 바람직하게는 대칭으로 배치된 다수의 노즐 구멍 (8a) 이 제공된다.
본 발명에 따른 도면으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 프리-챔버 장치 (6) 의 제 1 챔버 (7) 는 매끄러운 만곡된 벽을 가지는 실질적으로 타원형의 형상이다. 제 1 챔버 (7) 는 제 2 챔버 (8) 를 통해 주 연소 챔버 (4) 와 소통하고, 이 제 2 챔버 (8) 는 주 연소 챔버 (4) 로부터 오는 유동 연료/공기 혼합물을 신속하고 강제적인 방식으로 안내하기 위해 본질적으로 적절한 길이를 가지며 제 1 챔버 (7) 에 대하여 비대칭으로 배치된다. 또한, 제 2 챔버 (8) 는 전체 실린더 헤드 (5) 레이아웃 배치로부터의 설계 요구에 따라 기울어진 상태로 배치된다. 제 2 챔버 (8) 로부터의 유동 운동은 제 1 챔버 (7) 의 타원 형상의 위쪽 부분에 의해 더 안내된다. 이를 위해, 파일럿 분사 수단 (9) 은 가능한 작게 제 1 챔버 안으로 돌출한다. 이로써, 화살표 (A) 로 나타낸 텀블 유동 운동이 제공되어 파일럿 분사에 의해 달성되는 신속하고 반복가능한 프리-챔버 연소가 일어나게 하며, 따라서 혼합물은 제 2 챔버 (8) 및 이 제 2 챔버 (8) 의 노즐 구멍 (8a) 에 의해 안내되어 주 연소 챔버 (4) 안으로 더 운동한다.
제 1 챔버 (7) 의 중심 종축선 (11) 과 제 2 챔버 (8) 의 중심 종축선 (12) 사이의 각도 (B) 는 10 °~ 50 °내에서 선택되는 것이 바람직하다. 실제로, 선택될 각도는, 노즐 구멍 (8a) 이 주 연소 챔버 (4) 의 중심 종축선 (13) 과 일치할 수 있도록 제 2 챔버 (8) 의 치수 및 기울기에 의존한다. 이로써, 주 연소 챔버 (4) 에 대한 노즐 구멍 (8a) 의 대칭적인 배치가 보장된다.
제 1 챔버 (7) 의 용적은 피스톤 직경에 의존하고 각각의 경우에 따라 선택되어야 한다. 프리-챔버 장치의 다른 치수 및 크기는 특정한 비에 따라 상이한 피스톤 직경의 엔진에 적용될 수 있다.
제 1 챔버 (7) 의 실질적으로 타원 형태 또는 달걀 형태의 치수에 관하여, 구성이 제 2 챔버 (8) 를 향하는 단부에서 이론적으로 완전할 때, 중심 종축선 (11) 과 중심 횡축선 (14) 의 비는 0.6 ~ 1.8 이 바람직하다.
각 경우의 상황, 즉 사용된 연료와 공기의 혼합, 압력, 온도 등에 의존하여, 글로 플러그 (10) 는 적절한 프리-챔버 연소 및 엔진의 작동을 보장하도록 필요에 따라 연속적으로 이용될 수도 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 실시형태로 제한되지 않으며 수개의 변형이 첨부의 청구항의 발명 아이디어의 범위 내에서 이용가능하다.

Claims (10)

  1. 사전혼합형 연소 (오토 사이클) 를 위해 설치되는 내연기관의 실린더 (1) 를 위한 프리-챔버 장치로서, 상기 프리-챔버 장치는 연료의 혼합 및 점화를 위한 제 1 챔버 (7) 및 이 제 1 챔버 (7) 와 실린더 (1) 의 주 연소 챔버 (4) 사이의 소통을 위한 실질적으로 더 작은 용적의 제 2 챔버 (8) 를 포함하고, 제 1 챔버 (7) 에는 파일럿 분사 수단 (9) 이 제공되고 또한 제 2 챔버 (8) 의 실질적으로 반대쪽에 있는 챔버 상부가 구비되고, 상기 제 1 챔버 (7) 는 챔버 상부와 제 2 챔버 (8) 사이에 만곡된 벽을 가지는 실질적으로 타원형의 형상이며, 제 2 챔버 (8) 는, 주 연소 챔버 (4) 로부터 가압되고 제 1 챔버 (7) 의 만곡된 벽에 의해 점화될 파일럿 분사 수단 (9) 의 연료 쪽으로 그리고 이 연료를 지나서 안내되는 가스 연료를 위해 제 1 챔버 (7) 안에 텀블 유동 운동 (A) 을 제공하도록 제 1 챔버 (7) 에 대해 기울기 각이 있는 상태로 비대칭적으로 위치되며, 상기 제 2 챔버 (2) 는 추가로 주 연소 챔버 (4) 의 중심 축선 (13) 과 일치하여 끝나도록 위치되고,
    상기 파일럿 분사 수단 (9) 은 제 1 챔버 (7) 의 챔버 상부에서 제 1 챔버 (7) 의 중심 종축선 (11) 에 대하여 비대칭적으로 위치되고, 상기 파일럿 분사 수단 (9) 의 비대칭적인 위치는 상기 제 2 챔버 (8) 가 기울어진 쪽이고,
    상기 제 2 챔버 (8) 에는 주 연소 챔버 (4) 를 향하는 부분에 다수의 노즐 구멍 (8a) 이 제공되고,
    비 (제 1 챔버 (7) 의 용적)/(단면에서 구한 노즐 구멍 (8a) 의 총 면적) 은 300 mm 와 800 mm 사이이고,
    제 1 챔버 (7) 의 중심 종축선 (11) 과 제 2 챔버 (8) 의 중심 종축선 (12) 사이의 각 (B) 은 10 °내지 50 °인 것을 특징으로 하는 프리-챔버 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 챔버 (7) 는 이 제 1 챔버 (7) 의 중심 종축선 (11) 에 대해 제 2 챔버 (8) 측 쪽으로 약간 변위되도록 비대칭적인 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 프리-챔버 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 챔버의 중심 횡축선 (14) 영역에서, 제 2 챔버 (8) 측에서 제 1 챔버 (7) 의 내벽은 제 2 챔버 반대측에 있는 제 1 챔버의 내벽보다 더 작은 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 프리-챔버 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프리-챔버 장치에는, 파일럿 분사 수단 (9) 의 반대쪽에 있는 제 1 챔버 (7) 의 중심 중축선 (11) 의 다른 측에 위치되는 별도의 점화 수단 (10) 이 제공되는 것을 특징으로 하는 프리-챔버 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 챔버 (8) 는, 상기 노즐 구멍 (8a) 이 주 연소 챔버 (4) 에 대하여 대칭적으로 배치되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 프리-챔버 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 챔버 (7) 는 비 (중심 종축선 (11))/(중심 횡축선 (14)) 가 0.6 내지 1.8 이 되도록 치수가 정해지는 것을 특징으로 하는 프리-챔버 장치.
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